11. mérés
Kapacitásmérés, szigetelésvizsgálat
=============================

A mérés célja

A Schering híd alkalmazása kondenzátor kapacitásának és veszteségi tényezõjének mérésére valamint szilárd szigetelõanyag relatív permittivitásának és veszteségi tényezõjének mérésére. Elektrolit kondenzátor kapacitásának mérése integrátorral.

Biztonságtechnikai útmutató

Az elektrolit kondenzátor vizsgálatakor ügyeljünk a kondenzátor bekötésének polaritására.

MÉRÉSI FELADATOK

A. Kapacitás, veszteségi tényezõ, relatív permittivitás mérése Schering híddal
Kapcsolási vázlat

A mérõkör három egységbõl tevõdik össze. Változtatható frekvenciájú hanggenerátor táplálja a Schering hidat, a híd nullindikátora a hanggenerátor frekvenciájára hangolt szelektív voltmérõ. A mérendõ kapacitás kiegyenlítése a híd C1 forgókondenzátorával történik, a veszteségi tényezõ kiegyenlítése pedig a C3 kondenzátorral. A méréshatár váltását az együttfutó R2 és R3 dekádellenállás szolgálja. A C2 kondenzátort a szigetelõanyagok vizsgálatakor a védõárnyékolással ellátott mérõondenzátorok védõárnyékolása kapacitásának kiegyenlítésére használjuk.
A Schering híd kezelõszervei

A híd homloklapján elhelyezett kezelõszervekkel állíthatjuk be a méréshatárt, egyenlíthetjük ki a hidat. A középen lévõ méréshatár váltó kapcsoló külsõ skálaívén leolvasható, hogy az adott beállításban milyen frekvenciatartományban végezhetjük a mérést. A középsõ skálaíven a veszteségi tényezõ B szorzótényezõje található, míg a belsõ skálaíven a C kapacitás szorzótényezõje. A kapacitás kiegyenlítése a jobboldali forgatógombbal történik, errõl leolvasott C kapacitást szorozva a méréshatárváltó kapcsolón leolvasható szorzótényezõvel, megkapjuk a mért Cx kapacitást. A veszteségi tényezõ kiegyenlítésére szolgáló baloldali forgatógomb skálájáról az A1 mennyiség olvasható le. Nagyobb veszteségû dielektrikum esetén szükség lehet a veszteségi tényezõ méréshatárának növelésére, erre szolgál a középsõ mezõ baloldali kapcsolója, amelyrõl az A2 mennyiség olvasható le. Az A1 és A2, a méréshatárváltó kapcsolóról leolvasható B szorzótényezõ és a kHz mértékegységben kifejezett f vizsgálati frekvencia alapján a tgd veszteségi tényezõ a következõ módon számítható:

A mérés elõkészítõ lépéseként a szelektív voltmérõt rá kell hangolni a színuszgenerátor frekvenciájára. A hangolást kiegyenlítetlen hídon hajtjuk végre (pl. nem kötünk kondenzátort a híd mérõkapcsaira), a generátor kimenõ feszültségét kis értékre, a szelektív voltmérõ méréshatárát a legnagyobbra állítjuk. Mivel a szelektív voltmérõt nullindikátorként használjuk, kalibrálása nem szükséges.
Feladatok

a. Mérjük meg különbözõ kapacitású és dielektrikumú kondenzátorok kapacitását és veszteségi tényezõjét. A vizsgálati frekvenciát a gyakorlatvezetõ útmutatása szerint válasszuk meg. A védõárnyékolás kapacitásának beállítására szolgáló forgatógombot (középsõ mezõ jobb felsõ gombja) 0-ra állítsuk. A híd durva kiegyenlítését kis tápfeszültséggel, a szelektív voltmérõ nagy méréshatárán végezzük el, a kapacitás kiegyenlítéssel kezdjük a kiegyenlítést. Ezután felváltva a veszteség kiegyenlítés és a kapacitás kiegyenlítés kezelõszerveivel finomítjuk a híd kiegyenlítettségét, eközben növelhetjük a híd tápfeszültségét, csökkenhetjük a szelektív voltmérõ méréshatárát. Jegyezzük fel a kiegyenlített állapot jellemzôit (A1, A2, B, C, C szorzótényezõje, f).
b. A védõgyûrûs mérõkondenzátor segítségével mérjük meg különbõzõ szilárd (prespán, textilbakelit stb.) szigetelõanyagok relatív permittivitásának és veszteségi tényezõjének frekvenciafüggését, a gyakorlatvezetõ által megadott frekvenciatartományban. A mérõkondenzátor lényegében egy síkkondenzátor, amely dielekrikuma a vizsgált szigetelõlemezbõl kivágott, kb. 85*85 mm-es lap. A védõgyûrû (védõárnyékolás) a peremerõtér mérést torzító hatásának kiküszöbölésére szolgál. A mérõkondenzátorra szerelt mikrométerrel megmérhetjük a vizsgált szigetelõlap vastagságát. A híd és a mérõkondenzátor összekapcsolását úgy végezzük el, hogy a híd pirossal jelölt kábele a mérõkondenzátor piros körrel jelölt hüvelyébe csatlakozzon. A védõárnyékolás kapacitása 60 pF, erre az értékre állítsuk a védõárnyékolás kompenzálására szolgáló kondenzátort (a középsõ mezõ jobb felsõ forgatógombját). A szigetelõanyag befogása elõtt a mérõkondenzátor mikrométerét nullázni kell:
- a mozgó fegyverzetet a felsõ (durva) beállító csavarral az álló fegyverzethez ütköztetjük;
- alatta lévõ finombeállító (nyomatékhatároló) csavarral a megfelelõ szorítóerõt beállítjuk;
- a mikrométer skálájának nulla pontját a mutató helyzetéhez igazítjuk.
A szigetelõlapok befogásakor a durva és finomállító csavarokat az elõzõhöz hasonlóan kezeljük. A mérést a kondenzátorok vizsgálatához hasonló módon folytassuk le, a hid jellemzõin felül jegyezzük fel a vizsgált szigetelõanyag (mikrométerrõl leolvasható) d vastagságát is.
Értékelés

a. A vizsgált kondenzátorok mérési eredményeibõl határozzuk meg a Cx kapacitást, a veszteségi tényezõt a szigeteléstechnikában szokásos 104tgd mértékegységben, valamint a kondenzátor soros helyettesítõ kapcsolásának Rs és a párhuzamos helyettesítõ kapcsolásának Rp veszteségi ellenállását.


b. Határozzuk meg a vizsgált szilárd szigetelõanyagok relatív permittivitását és 104tgd veszteségi tényezõjét valamennyi vizsgálati frekvencián. A szigetelõanyagok relatív permittivitását a mérõkondenzátorba befogott d vastagságú szigetelõlappal mért Cx kapacitás és az ugyanakkora vastagságú levegõ dielektrikummal adódó Co kapacitás hányadosa adja. A Co kapacitás a d szigetelõréteg-vastagsággal (elektródatávolsággal) fordítottan arányos, az adott mérõkondenzátor esetében d=1 mm elektródatávolság esetén Co= 40 pF.

A veszteségi tényezõ meghatározása a kondenzátorokéval azonos módon történik.
Ábrázoljuk diagramban a vizsgált szigetelõanyagok relatív permittivitását és veszteségi tényezõjét a frekvencia függvényében. A frekvencia tengelyen logaritmikus skálát használjunk.

B. Eektrolit kondenzátor kapacitásának mérése integrátorral
Kapcsolási vázlat

A mérendõ elektrolit kondenzátort az Rk korlátozó ellenálláson keresztül feltöltjük Uo feszültségre, majd a K kapcsoló átkapcsolásával a sorbakapcsolt Re és Rs ellenállásokon keresztül kisütjük. Az Rs ellenállás ube = i Rs feszültségesése egy integrátor bemenetére kapcsolódik. Az integrátor Uki kimenõ feszültségének változása a kondenzátor töltésének teljes kisülése folyamán a következõ:

A kondenzátor kezdeti Q töltése, Uo feszültsége és a Cx kapacitás közötti Q = Cx Uo kapcsolatot is figyelembevéve Cx értéke a következõ módon számítható:

Az Re értékét úgy válaszjuk meg, hogy a kisütés idõállandója 0,1 s nagyságrendû legyen. Rs jóval kisebb, mint Re, értékét (10 W nagyságrendben) az a feltétel határozza meg, hogy az integrátor kimenõ feszültségének változása a kivezérelhetõségi tartományon belül maradjon.
Feladatok

A gyakorlatvezetõ útmutatása szerint megválasztott áramköri elemekkel mérjük meg különbözõ névleges kapacitású elektrolit kondenzátorok kapacitását. A kondenzátor feltöltésének fázisában zárjuk rövidre az integrátor Ci kondenzátorát (ekkor az integrátor kimenõ feszültsége nulla). A feltöltõdés végén olvassuk le az Uo feszültséget, szûntessük meg az integrátor kondenzátorának rövidzárát majd kapcsoljuk át a K kapcsolót. Akkor olvassuk le az integrátor kimenetére kapcsolt voltmérõn a feszültséget, amikor az (gyakorlatilag) elérte állandósult értékét. Jegyezzük fel az áramköri jellemzõket (Rs, Ri, Ci) és a mért értékeket (Uo, Uki).
Értékelés

Az áramköri jellemzõk és a mért mennységek alapján számítsuk ki az elektrolit kondenzátorok kapacitását, hasonlítsuk össze ezt a kapacitás névleges értékével.

ELLENÕRZÕ KÉRDÉSEK

1. Veszteséges kondenzátor soros és párhuzamos helyettesítõ kapcsolása, a kapacitás, a veszteségi ellenállás és a tgd veszteségi tényezõ közötti kapcsolatok.

2. A Schering híd kapcsolása, kiegyenlítési feltételei.

3. Szilárd szigetelõanyag relatív permittivitását milyen eszközök segítségével, milyen elven mérhetjük?

4. Miért nem mérhetjük elektrolit kondenzátor kapacitását váltakozóáramú hídban? Integrátor segítségével hogyan mérhetünk kapacitást?


Készült a Phare Program támogatásával a 0301-L006-32 sz. projekt keretében